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一维粒子追踪模块

粒子追踪(Particle Tracking)算法来自Šimůnek [1991],首先被实现到HYDRUS-1D的粒子追踪模块中[Zhou et al., 2021],然后集成到HYDRUS版本5中。该模块追踪假设粒子的位置,这些粒子要么初始定义在土壤剖面中,要么在其边界处释放。该模块的结果可用于计算土壤水运移时间和土壤剖面不同位置的水龄。这是一个一维附加模块。

算法本身的执行过程如下:根据时间间隔开始时粒子的已知位置、预先求解的含水率剖面发展以及入渗、蒸发和蒸腾的实际值,首先计算第一个监测粒子的新位置。然后基于质量平衡计算确定所有其他粒子的新位置。在土壤剖面的表面和底部,根据当前含水率剖面的发展,可能创建新粒子或使其离开土壤剖面。

通过计算流动粒子的轨迹,可以模拟不受弥散影响的惰性物质的运动。可以根据初始浓度(为各个区域定义)以及由于汇项S导致这些层中含水量的减少,轻松确定两个相邻粒子之间各个区域的平均浓度。

粒子的初始位置基于质量平衡计算(按储水量)确定。在边界处释放新粒子可以按时间顺序(在指定时间)或按气象条件(降雨事件或深度)定义。粒子追踪模块需要两个输入参数:wStand和wPrec。wStand参数表示模拟开始时土壤剖面中分隔相邻粒子的储水量。因此,当土壤剖面的初始含水量不均匀时,粒子在几何上不是均匀分布的。wPrec参数是在释放新粒子之前通过土壤表面的水量。这意味着只有在湿润条件下才会在土壤表面释放粒子。当wPrec设置为负值时,每次降水事件(即vTop变为负值时)都会释放一个新粒子。在干燥条件下,表面通量指向土壤剖面外部,因此不会释放新粒子。

关于粒子追踪模块及其算法的详细信息,请参阅Hydrus技术手册(Šimůnek et al., 2022)。

粒子追踪模块结果图形显示示例

参考文献:

  1. Šimůnek, J., Numerical simulation of the transport processes in soil (捷克语,英文摘要), Vodohosp. Čas., 39(1), 20-34, 1991. 下载PDF
  2. Zhou, T., J. Šimůnek, and I. Braud, Adapting HYDRUS-1D to simulate the transport of soil water isotopes with evaporation fractionation, Environmental Modeling & Software, 143, 105118, 18 p., doi: 10.1016/j.envsoft.2021.105118, 2021. 下载PDF
  3. Šimůnek, J., M. Šejna, G. Brunetti, and M. Th. van Genuchten, The HYDRUS Software Package ... Technical Manual I, Hydrus 1D, Version 5.0, PC Progress, Prague, Czech Republic, 334p., 2022. PDF (3.9MB)
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